Durante una clase de secundaria, muchos estudiantes aprenden que la luz se comporta como una onda y, a veces, como una partícula. Lo que rara vez se explica es que esos diminutos paquetes de luz, los fotones, podrían ser las claves para construir una red cuántica global. Pero hay un problema: guardar un fotón sin destruirlo es casi como atrapar una mariposa sin tocarle las alas.
Un grupo de científicos chinos acaba de demostrar que esto sí es posible. Lo han conseguido utilizando un “superátomo”, una nube de átomos que actúa como si fuera una sola entidad cuántica. En su artículo publicado en Physical Review Letters, describen un experimento en el que lograron almacenar un fotón y generar una señal que confirma el éxito de ese almacenamiento, sin necesidad de interferómetros ni cavidades ópticas de alta precisión.
El problema de guardar luz sin romperla
Los fotones son los portadores ideales de información cuántica: se mueven rápido, interactúan poco con el entorno y pueden viajar grandes distancias. Pero precisamente esa falta de interacción hace que almacenarlos sea extremadamente difícil. Si se pierde un fotón, se pierde también toda la información cuántica que lleva consigo.
Hasta ahora, los métodos más eficaces para este tipo de almacenamiento se basaban en átomos individuales colocados en cavidades ópticas. Estas configuraciones, aunque efectivas, son complejas y difíciles de escalar. Además, normalmente no permiten confirmar si el fotón fue realmente almacenado, salvo destruyéndolo.
Para resolver esto, los investigadores utilizaron una técnica conocida como almacenamiento heraldado. El principio es sencillo en apariencia: si se logra emitir un segundo fotón como consecuencia directa del almacenamiento exitoso del primero, se puede confirmar el proceso sin perturbarlo.
Qué es un superátomo y por qué importa
El término “superátomo” puede sonar como ciencia ficción, pero en este contexto se refiere a una colección de átomos que actúan de manera colectiva como un solo sistema cuántico. En este caso, los científicos emplearon un conjunto de átomos de rubidio enfriados por láser, dispuestos en una configuración que permite que se comporten como una sola unidad coherente.
Este comportamiento colectivo se basa en el llamado efecto de bloqueo de Rydberg, que impide que más de un átomo del conjunto se excite al mismo tiempo. Gracias a este fenómeno, la nube de átomos puede interactuar con un solo fotón como si fuera un único átomo gigante. Esto facilita tanto el almacenamiento como la emisión posterior de un fotón que actúe como “heraldo” de que el primero fue guardado con éxito.
Según el artículo original, “utilizamos una secuencia de pulsos tipo ‘read-and-patch’ que permite emitir un segundo fotón solo si el primero ha sido correctamente almacenado en el superátomo”.
El experimento paso a paso
El montaje experimental incluye dos nodos cuánticos, llamados A y B, compuestos por nubes de átomos de rubidio. El nodo A genera un fotón en un estado cuántico codificado temporalmente (es decir, en función del momento exacto en que aparece), y lo envía al nodo B a través de una fibra óptica.
En el nodo B, el fotón entra en contacto con el superátomo y, si las condiciones son correctas, queda almacenado. Luego se aplica una secuencia de pulsos que intenta “leer” ese estado cuántico. Si el almacenamiento fue exitoso, el sistema emite un segundo fotón, el heraldo, que confirma la operación.
Los investigadores midieron la fidelidad de almacenamiento y el nivel de entrelazamiento entre los fotones. Según sus cálculos, la fidelidad de almacenamiento corregida por ruido alcanzó el 89,9 %, mientras que la fidelidad del entrelazamiento entre los nodos fue del 70,5 %.
Estas cifras son relevantes porque superan con claridad el límite clásico del 50 %, lo que demuestra que el proceso es genuinamente cuántico.
De nodo a nodo, sin estaciones intermedias
Uno de los resultados más interesantes del estudio es que el sistema no requiere una estación intermedia para entrelazar dos nodos cuánticos. En otras palabras, lograron generar entrelazamiento remoto entre dos superátomos sin necesidad de hacer que los fotones interactúen entre sí en un punto central.
Esto tiene implicaciones importantes para el desarrollo de redes cuánticas prácticas. En las configuraciones actuales, se necesitan estaciones centrales donde los fotones se encuentran y se comparan para verificar el entrelazamiento. Esos pasos intermedios consumen recursos y son vulnerables al ruido. Eliminar ese intermediario simplifica todo el sistema y mejora su escalabilidad.
Los autores destacan que “esta técnica elimina la necesidad de un nodo intermedio, lo que comúnmente se requiere en esquemas tradicionales de entrelazamiento remoto basados en interferencias”.
Limitaciones actuales y mejoras posibles
A pesar del éxito del experimento, los propios investigadores reconocen que la eficiencia general del sistema aún puede mejorarse. El proceso de almacenamiento y recuperación del fotón alcanza un 16,4 %, y la eficiencia total del heraldo es solo del 2,1 %. Esto se debe, entre otras cosas, a la pérdida de coherencia provocada por el movimiento térmico de los átomos durante el tiempo de almacenamiento.
Como posibles mejoras, mencionan el uso de trampas ópticas más estables, el enfriamiento adicional de los átomos o el uso de detectores más sensibles, como los superconductores tipo SNSPD. También planean ampliar la duración del almacenamiento transfiriendo el estado cuántico del Rydberg a un estado fundamental más estable.
En cualquier caso, los resultados actuales ya son suficientes para considerar esta tecnología como una base viable para futuras redes cuánticas distribuidas.
Próxima parada: redes cuánticas metropolitanas
El equipo planea ahora incorporar esta técnica en redes cuánticas a escala de ciudad, donde nodos distribuidos puedan compartir estados cuánticos entre sí sin estaciones centrales. Esta visión se alinea con el concepto de Internet cuántica, una red en la que la información se transmite y protege mediante los principios de la mecánica cuántica.
No es un futuro lejano: varios países, incluidos China y Países Bajos, ya están desarrollando infraestructuras piloto para conectar dispositivos cuánticos en diferentes ubicaciones. Un sistema eficiente de almacenamiento heraldado como este puede ser clave para hacer que esas redes sean estables y escalables.
Aunque el término “superátomo” pueda parecer exagerado, representa una tecnología muy real y prometedora. Y si todo sigue su curso, es probable que en los próximos años empecemos a oír hablar más de este tipo de experimentos como piezas clave de la revolución cuántica.
Referencias
- Zi-Ye An, Bo-Wei Lu, Jun Li, Chao-Wei Yang, Li Li, Xiao-Hui Bao, Jian-Wei Pan. Entangling Two Rydberg Superatoms via Heralded Storage. Physical Review Letters (2025). https://doi.org/10.1103/cmpn-jfqr.
